“上帝关上一道门时，必定会为你打开一扇窗”是一句经典的励志金句。然而，今天小编要向大家介绍一位“德育体智美”样样不落的全才——哈佛大学在读博士生Nathaniel Vilas。你会发现上帝帮他把门和窗全都打开了。
在哈佛攻读博士期间，他以第一作者+唯一通讯作者身份连续发表两篇《Nature》论文。 其中一篇发表于 2024 年4月3日，题为“An optical tweezer array of ultracold polyatomic molecules”，另一篇发表于 2022 年6月1日，题为“Magneto-optical trapping and sub-Doppler cooling of a polyatomic molecule”。
高中时，因在在学业上表现出色，Nathaniel B. Vilas就获得了博士伦荣誉科学奖和国家荣誉协会会员等荣誉。他还积极参加田径运动，参加了四年的越野和田径比赛。
此外，Nathaniel B. Vilas在钢琴和巴松管方面造诣颇深。7岁开始学钢琴，此后获得了缅因州青年之星，并在伯克利学院高中爵士音乐节等比赛和节日中获得了认可。在大学，他主修物理和音乐。在威廉姆斯学院，他进一步磨练了自己的音乐技巧，获得了2016年伯克希尔交响乐团学生独奏家比赛的冠军，并与乐团合作演奏了格里格钢琴协奏曲的第一乐章。
接下来，就请大家跟随小编一起拜读一下2024年最新发表的这篇《Nature》吧。
【研究背景】
将原子冷却到低于一毫开尔文的超冷温度并控制其内部能量状态导致了许多技术的发展，包括光学原子钟和中性原子量子计算机。与原子不同，分子可以旋转和振动，这使得它们更难以控制，但提供了更丰富的内部结构，可用于进一步的量子科学应用。
光镊阵列是实现此类控制的有前途的平台。每个“镊子”都是紧密聚焦的激光束（半径约一微米），可以固定单个原子或分子，从而可以操纵它并将其放置在任意位置。这种方法具有防止不必要的碰撞或化学反应的额外好处，这与分子特别相关。
光镊此前已成功用于控制原子和双原子分子。然而，多原子分子在某些应用中具有优势，这意味着用于操纵它们的镊子阵列是一个理想的目标，尽管在技术上具有挑战性。
【解决方案】
研究人员用氢氧化钙（CaOH）分子创建了一个光学镊子阵列，之前他们已经利用激光冷却技术将这些分子冷却并截留在温度低于 100 微开尔文的真空室中。他们将来自单个激光器的六束光学镊子光束聚焦到真空室中，并将单个氢氧化钙分子装入阵列中，这依赖于之前建立的一种技术，即只要有一个以上的分子存在，分子就会迅速碰撞并从镊子中弹出。
图 1. CaOH 分子的光镊阵列
这项工作的主要挑战是对分子进行成像并确定是否加载了镊子，而在此过程中不破坏分子。这需要用更多的激光照射分子以激发电子跃迁，然后在分子从镊子上丢失或由于其复杂的结构而停止发出荧光之前收集产生的荧光。
研究人员发现成像的主要限制是镊子激光束与分子复杂结构的相互作用。通过仔细调整镊子激光的波长，我们能够减轻这种影响，并在大约90%的时间内正确检测到分子，同时将其保留在镊子阵列中。以这种方式检测分子后，他们将分子泵入单一内部量子态，并应用激光、微波和射频场的组合来控制它们的振动、旋转以及电子或核自旋结构。然后他们再次对分子进行成像以确定这些控制操作的结果。这些实验展示了镊子阵列中多原子分子的量子科学应用所需的关键工具。
图 2. CaOH 捕获的波长依赖性
图 3. 镊子阵列成像和表征
图 4. 光镊中 CaOH 的单态控制
【影响】
多原子分子中的多种结构可以帮助量子计算、量子模拟、量子化学、超冷分子碰撞和超出标准模型的粒子物理效应的精确搜索等领域的研究。这些应用中的每一个都需要控制单个量子态，并将受益于光镊阵列的多功能性。
尽管本文已经展示了控制光镊中多原子分子所需的关键技术，但仍需要改进才能实现上述许多长期目标。现有的光镊实验可以常规地对单个原子进行成像和控制，误差远低于1%，但本文演示中的分子在成像过程中更频繁地丢失或错误识别，而且单态控制技术也存在相当大的不真实性。通过对实验设备进行技术升级可以克服许多这些限制。
作者本人直言：尽管CaOH具有多原子分子的许多相关特性，包括众多的旋转和振动自由度，但某些实验可能需要更大、更复杂的多原子分子，这会带来额外的挑战。未来，有可能将这些方法扩展到更大、更复杂、可激光冷却的多原子分子，从而使光镊技术更加通用。
【专家与编辑意见】
这些结果代表了向创建多原子分子冷样品迈出的重要且特殊的一步。它们可能会对需要超冷分子受控样本的多个领域产生重大影响，例如量子信息、量子化学和基础物理学。——Rosario González Férez
量子和原子物理学家最近才掌握了利用光来控制单个简单分子以编码信息或充当模拟器的能力。这项工作现在表明，这些控制技术在处理多原子分子方面也能非常有效，而迄今为止，多原子分子在很大程度上尚未被驯服。——Federico Levi，《Nature》高级编辑
来源：高分子科学前沿
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